Uma conquista histórica na revelação das forças fundamentais do universo no Grande Colisor de Hádrons

Pesquisadores da Universidade de Rochester trabalhando com a Colaboração CMS em CERNFizemos progressos significativos na medição do ângulo de mistura eletrofraca, avançando nossa compreensão do Modelo Padrão da física de partículas.

O seu trabalho ajuda a explicar as forças fundamentais do universo, apoiado por experiências como as do Grande Colisor de Hádrons, que investigam condições semelhantes às que ocorreram depois a grande explosão.

Descubra segredos globais

Na busca para decifrar os segredos do universo, investigadores da Universidade de Rochester estão envolvidos há décadas numa colaboração internacional na Organização Europeia para a Investigação Nuclear, conhecida como CERN.

Com base no seu extenso envolvimento no CERN, particularmente no âmbito da colaboração CMS (Compact Solenoid), a equipa de Rochester – liderada por Ari Budek, Professor de Física na George E. Buck – recentemente uma conquista pioneira. Sua realização centra-se na medição do ângulo de mistura eletrofraca, um componente crucial do Modelo Padrão da física de partículas. Este modelo descreve como as partículas interagem e prevê com precisão um grande número de fenômenos na física e na astronomia.

“Medições recentes do ângulo de mistura da força eletrofraca são incrivelmente precisas, pois foram calculadas a partir de colisões de prótons no CERN, e avançam na compreensão da física de partículas”, diz Budick.

o Colaboração em um sistema de gerenciamento de conteúdo Reúne membros da comunidade da física de partículas de todo o mundo para compreender melhor as leis fundamentais do universo. Além de Budick, o grupo Rochester na colaboração CMS inclui os investigadores principais Regina DeMina, professora de física, e Aran Garcia Bellido, professor associado de física, juntamente com bolsistas de pós-doutorado e alunos de graduação e pós-graduação.

Os pesquisadores da Universidade de Rochester têm uma longa história de trabalho no CERN como parte da colaboração Compact Muon Solenoid (CMS), incluindo o desempenho de papéis importantes na descoberta do bóson de Higgs em 2012. Crédito: Samuel Joseph Herzog. Julian Marius Urdan

O legado de descoberta e inovação no CERN

Localizado em Genebra, na Suíça, o CERN é o maior laboratório de física de partículas do mundo e é conhecido pelas suas descobertas pioneiras e experiências de ponta.

Os pesquisadores de Rochester têm uma longa história de trabalho no CERN como parte da colaboração CMS, inclusive desempenhando papéis importantes em Descoberta do bóson de Higgs em 2012– Uma partícula elementar que ajuda a explicar a origem da massa no universo.

O trabalho da colaboração inclui a coleta e análise de dados coletados do detector solenóide de múon compacto do Large Hadron Collider (LHC) do CERN, o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo. O LHC consiste em um anel de 27 quilômetros de extensão de ímãs supercondutores e estruturas aceleradoras construídas no subsolo e que se estendem pela fronteira entre a Suíça e a França.

O objetivo principal do Grande Colisor de Hádrons (LHC) é explorar os blocos básicos de construção da matéria e as forças que os governam. Ele consegue isso acelerando feixes de prótons ou íons quase à velocidade da luz e colidindo-os com energias extremamente altas. Estas colisões recriam condições semelhantes às que existiram milissegundos após o Big Bang, permitindo aos cientistas estudar o comportamento das partículas sob condições extremas.

Desmantelar as forças unificadas

No século XIX, os cientistas descobriram que as diferentes intensidades da eletricidade e do magnetismo estão relacionadas: um campo elétrico variável produz um campo magnético e vice-versa. Esta descoberta formou a base do eletromagnetismo, que descreve a luz como uma onda e explica muitos fenômenos no campo da óptica, além de descrever como os campos elétricos e magnéticos interagem.

Com base neste entendimento, na década de 1960 os físicos descobriram que o eletromagnetismo está relacionado com outra força, a força fraca. A força fraca opera dentro do núcleo dos átomos e é responsável por processos como o decaimento radioativo e a produção de energia solar. Esta descoberta levou ao desenvolvimento da teoria eletrofraca, que postula que o eletromagnetismo e a força fraca são, na verdade, manifestações de baixa energia de uma força unificada chamada interação eletrofraca unificada. Descobertas importantes, como o bóson de Higgs, confirmaram este conceito.

Desenvolvimentos na interação eletrofraca

A equipe do CMS fez recentemente uma das medições mais precisas desta teoria, analisando bilhões de colisões de prótons no Grande Colisor de Hádrons do CERN. O foco deles estava na medição do ângulo de mistura fraco, um parâmetro que descreve como o eletromagnetismo e a força fraca se misturam para formar partículas.

Medições anteriores do ângulo de mistura eletrofraca geraram controvérsia na comunidade científica. No entanto, os resultados mais recentes são bastante consistentes com as previsões do Modelo Padrão da física de partículas. A estudante de graduação de Rochester, Rice Taus, e a bolsista de pós-doutorado Aliko Khokhonishvili implementaram novas técnicas para reduzir a incerteza metodológica inerente a esta medição, aumentando sua precisão.

A compreensão do fraco ângulo de mistura esclarece como as diferentes forças do universo trabalham juntas nas menores escalas, aprofundando a compreensão da natureza fundamental da matéria e da energia.

“A equipe de Rochester vem desenvolvendo técnicas inovadoras e medindo esses parâmetros elétricos fracos desde 2010 e depois implementando-os no Large Hadron Collider”, diz Budick. “Essas novas técnicas anunciaram uma nova era de testes de precisão das previsões do Modelo Padrão.”